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新型抗震导管架力学特性研究

新型抗震导管架力学特性研究

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作者：陈安龙大连理工大学

学位级别：硕士

导管架作为浅海固定式海洋平台和海上风力机的支撑结构,广泛应用于海洋工程中。在复杂多变的海洋环境中,导管架结构除了要承受浪、流、风、冰等多种环境载荷外,还必须具备抵抗地震破坏的能力。由于地震破坏力极强,且我国许多导管架式海... 详细信息

导管架作为浅海固定式海洋平台和海上风力机的支撑结构,广泛应用于海洋工程中。在复杂多变的海洋环境中,导管架结构除了要承受浪、流、风、冰等多种环境载荷外,还必须具备抵抗地震破坏的能力。由于地震破坏力极强,且我国许多导管架式海洋平台和海上风电场都位于渤海、黄海以及东南沿海地震活跃地带,因此进行提高导管架抗震性的研究是十分有必要的。为了提高导管架的抗震性能,本文提出一种使用完全搭接管节点的新型导管架,利用理论分析与数值仿真相结合的方法,以传统N型导管架为对比分析对象,围绕新型导管架的强度、抗震性和疲劳寿命三个方面开展以下研究工作。本文提出两种建立新型导管架多尺度有限元模型的方法,并基于ANSYS建立有限元模型。通过静力计算,对比分析了波流作用下新型导管架和N型导管架的结构强度和极限承载力,结果表明二者相当,但可以在降低结构重量的条件下,通过降低弦管管壁和增大支管壁厚以提高新型导管架强度。两种节点应力分布和高应力区存在差异,相比于T/Y型节点,完全搭接管节点弦管和搭接支管应力平均降低25%,而贯通支管上的应力在整体应力不增大的前提下平均增大25%;正常作业工况下后者弦管上无高应力区,极限状态时后者塑性应变全部都发生在贯通支管上,而前者弦管和支管均产生塑性应变。通过时程分析法和反应谱法研究了新型导管架地震响应。通过模态分析计算导管架的振型和固有频率,按照浅海固定平台建造与检验规范要求确定设计反应谱,通过反应谱法分析了两种导管架的强度、位移和支反力,二者结果相近。因此以建筑抗震设计规范为指导,通过瞬态动力法计算了结构在人工波、唐山波和EI Centro波作用下的导管架腿柱顶端位移、加速度响应和底部剪力,结果显示新型导管架抗震性更好。分析了新型导管架的疲劳寿命。利用导管架建模向导建立模型,为了避免计算热点应力需要应力集中系数,而完全搭接管节点又没有规范认可的计算公式的问题,利用网格划分工具将管节点转变为三维有限元模型。计算出结构动力特性后,以一系列艾瑞波生成传递函数,以中国北海某海域的波浪统计资料为疲劳载荷,通过谱疲劳分析方法计算新型导管架在设计疲劳寿命内的疲劳损伤,研究结果表明结构满足疲劳设计的要求。本文的研究结果表明新型导管架可以提高导管架抗震性能、实现结构轻量化,验证了新型导管架设计的可行性,为新型导管架的设计和计算提供参考,促进其工程化发展。

关键词：新型抗震导管架完全搭接管节点反应谱分析地震时程分析谱疲劳分析

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